JP5970408B2 - シリコン基板上のＩｎＧａＳｂ薄膜の作製方法 - Google Patents

Description

本発明はシリコン基板上に化合物半導体層を形成する技術に関し、特にシリコンと格子定数が異なる化合物半導体結晶をシリコン基板上に高品質で形成する方法に関する。

シリコンのＣＭＯＳ技術では従来のスケーリング則に従った微細化による特性劣化が顕著になってきたため、歪チャネルやｈｉｇｈ−ｋ技術を導入することで現在までの技術発展を遂げてきた。しかし、今後の更なる微細化のためには新たなテクノロジブースターが必要とされており、その一つとして注目されているのがシリコンよりも優れた電気特性を持つ異種材料チャネルをシリコン基板上に集積するヘテロジニアス集積化技術である。半導体の中でも極めて高い移動度を有するIII-Ｖ族化合物半導体は有望な候補と考えられおり、その中でも、電子とホールの両方で移動度が高いＩｎＧａＳｂが特に近年注目されている。しかし、一般的にシリコンと格子定数が異なる化合物半導体結晶を高品質な状態でシリコン基板上に作製することは難しく、格子緩和による転移が発生し結晶品質が劣化する問題が発生する。

この問題を解決するためマスク加工を行った基板を用い、開口部（マスクが無い部分）を種結晶として、マスク上に横方向成長を行う選択横方向成長法が提案されている（非特許文献１）。この技術ではシリコン上にＳｉＯ_２から成るマスクを形成し、これを基板として用いて有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によりＩｎＧａＡｓ層を形成している。この他に、基板に格子整合する化合物半導体を成長した後、シリコン基板と化合物半導体を貼り合わせ、その後エッチングにより基板を除去してシリコン基板上に化合物半導体を形成する技術が提案されている（非特許文献２）。この技術ではＩｎＰ基板上に格子整合するＩｎＧａＡｓを成長し、ＳｉＯ_２を介してシリコン基板に貼り付け、その後、ＩｎＰ基板をエッチングすることでシリコン基板上に化合物半導体の層構造を形成している。

M. Deura et al., Applied Physics Express, 2（2009）011101 M. Yokoyama et al., Applied Physics Express, 2（2009）124501 Y. Kobayashi et al., Nature, 484（2012）223

従来技術のマスク加工を行った基板を用いた選択横方向成長法ではマスク上にはミスフィット転移がない良質の結晶を形成することができるが、マスク開口部の上方の結晶にはミスフィット転移が入り結晶品質が劣化する。またＩｎＧａＡｓの組成に分布が生じる問題も発生する。つまり、前述した選択横方向成長法では均一に高品質の結晶を形成することが困難であった。一方、貼り合わせを用いる技術は、高品質の化合物半導体をシリコン上に形成することができるが、大口径の化合物半導体基板が無いためシリコン基板全面に化合物半導体膜を作製することが難しい。また、高価な化合物半導体基板をエッチング除去するためコストがかかる問題が発生した。

サファイア基板上には単結晶の六方晶窒化ホウ素を堆積可能で、さらにその上に単結晶のＡｌＧａＮが形成可能であることが報告されている（非特許文献３）。サファイア基板は青色ＬＥＤに用いられる基板で、近年大口径化が著しく進んでおり、現在６インチ径のウェハが入手可能である。一方、ＧａＡｓやＩｎＰの化合物半導体基板の主流は３〜４インチであるので、サファイア基板を用いることにより課題となっていた大面積化が可能になる。六方晶窒化ホウ素の格子定数はａ＝０．２５１ｎｍであり、ＡｌＧａＮの格子定数はＡｌの組成にもよるがａ＝０．３１１〜０．３１６ｎｍである。格子定数は完全に一致している訳では無いが、六方晶窒化ホウ素上に単結晶のＡｌＧａＮを成長することができる。一方、六方晶窒化ホウ素上にＧａＮを直接成長した場合には多結晶化してしまう。これは、ＡｌＧａＮに含まれるＡｌ特有のぬれ性（全面を被覆する特性）が単結晶の成長には必要であることを意味している。つまり、窒化物以外の化合物半導体でも六方晶窒化ホウ素に格子定数が比較的近い、Ａｌベースの化合物半導体を堆積してやれば、結晶品質の良い化合物半導体薄膜を形成することが可能である。

図１に単結晶六方晶窒化ホウ素の原子配置を示す。六方晶窒化ホウ素は一辺の長さが０．１４５ｎｍnmの六角形（図中に実線で示す六角形）によって構成されていることが分かる。また、窒素によって形成される六角形に着目すると図中に破線で示した一辺が０．４３５ｎｍの六角形になる。一方、Ｓｂ系の材料であるＧａＳｂ，ＡｌＳｂ，ＩｎＳｂは閃亜鉛鉱型の結晶構造をもつが、（１１１）面を考えた場合には図２の破線で示したように最表面の原子配置がやはり六角形になる。さらに、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＳｂの原子間距離が０．２６４ｎｍ、０．２６５ｎｍ、０．２８０ｎｍであることから、それぞれの材料の六角形の一辺の長さは、０．４３１２ｎｍ、０．４３２８ｎｍ、０．４５７３ｎｍになる。

前述したように品質の良い結晶を六方晶窒化ホウ素上に形成するにはまず、Ａｌを含む材料を成長する必要がある。この時、Ａｌ_０．９１Ｉｎ_０．０９Ｓｂの組成のＡｌＩｎＳｂを用いた場合には、ＡｌＩｎＳｂの平均的な六角形の大きさと六方晶窒化ホウ素の六角形の大きさを一致させることができ、格子整合の条件になるので結晶性が良くすることができる。しかしながら、格子緩和が起きない程度の膜厚でＡｌＩｎＳｂ結晶を成長してやれば、組成の厳密性にこだわる必要は無い。ここで重要なのは、ぬれ性の良いＡｌが含まれているＡｌ_ｘＩn_１−ｘＳｂ（ｘ＞０）をバッファ層に用いるということである。さらに、このＡｌＩｎＳｂ層上にＩｎＧａＳｂ層を成長する。この場合、Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｓｂの組成のＩｎＧａＳｂを形成した場合には、ＩｎＧａＳｂの平均的な六角形の大きさと六方晶窒化ホウ素の六角形の大きさが一致し、格子整合の条件になる。この場合も前記と同様に、格子緩和が起きない膜厚でＩｎＧａＳｂを成長すれば、組成の厳密性にこだわる必要は無い。以上のような方法を用いることで六方晶窒化ホウ素上に高品質のＩｎＧaＳｂを形成することが可能になる。さらに、六方晶窒化ホウ素は層状の材料であることから、容易に層間をはく離することができる特徴を有する。そこで、次のような工程でＩｎＧａＳｂをシリコン基板上に転写すれば、シリコン基板上に高移動が期待されるＩｎＧａＳｂ薄膜を高品質の状態で作製することが可能になる。

サファイア基板の上にバッファ層を成長するステップと、前記バッファ層の上にＩｎＧａＳｂ薄膜を成長するステップと、前記バッファ層およびＩｎＧａＳｂ薄膜を前記バッファ層から力学的に分離して、前記ＩｎＧａＳｂ薄膜をシリコン基板に転写するステップとを含み、前記バッファ層は、前記サファイア基板上のグラファイト型窒化ホウ素薄膜および前記グラファイト型窒化ホウ素薄膜上のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＳｂ（ｘ＞０）薄膜で構成する。この時、前記グラファイト型窒化ホウ素薄膜は、六方晶窒化ホウ素薄膜または乱層窒化ホウ素薄膜であり、また、前記グラファイト型窒化ホウ素薄膜は少なくとも二原子層以上の膜厚を有するようにする。さらに、転写の前に、前記ＩｎＧａＳｂ、前記シリコン基板のいずれか一方、あるいは両方に接合層を堆積するステップを含み、接合層には絶縁膜を用いる。

本発明により、シリコン基板上に高品質のＩｎＧaＳｂ薄膜を作製可能になるとともに、従来技術で説明したような基板のエッチング除去の必要が無くなり、コストを抑えることも可能になる。

本発明の目的はシリコン基板上に化合物半導体層を形成する技術に関して、特にシリコンと格子定数が異なる化合物半導体結晶をシリコン基板上に高品質で形成する方法に関する。本発明により、シリコンＣＭＯＳ技術のテクノロジブースターとなり得る化合物半導体チャネルをシリコン基板上に形成するヘテロジニアス集積が可能になる。よって、本発明は、シリコンＣＭＯＳ技術において、今後の更なる微細化を促進する大きな効果を有する。

六方晶窒化ホウ素の原子配置を示す図である。 閃亜鉛鉱型結晶（１１１）面の原子配置を示す図である。 本発明に係る転写用基板の層構成を示す図である。 本発明に係るシリコン基板上に高品質のＩｎＧaＳｂ薄膜を形成する工程を説明する図である。

以下この発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図３は本発明の転写用基板の層構成を示す。サファイア基板（３０１）上に、六方晶窒化ホウ素薄膜（３０２）を成長する。この時、六方晶窒化ホウ素はｃ軸方向の積層周期が乱れた乱層窒化ホウ素薄膜を用いても良い。次に、六方晶窒化ホウ素（３０２）上にＡｌ_０．９１Ｉｎ_０．０９Ｓｂ薄膜（３０３）を成長してこれらの層をバッファ層とする。ここで、Ａｌ_０．９１Ｉｎ_０．０９Ｓｂバッファ層（３０３）は、前述のようにＡｌを含むことが重要であり、ＡｌＳｂとＡｌＰ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂの中のいずれかを含む（複数でも良い）化合物で置き換えることができる。さらに、そのバッファ層上にＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｓｂ薄膜（３０４）形成する。ここで、Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｓｂ薄膜（３０４）はシリコンよりも移動度が高いＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、または、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂの化合物に置き換えることができる。

図３の積層構造の作製には例えばＭＯＣＶＤ法を用いることができる。まず（０００１）サファイア基板（３０１）を、ＭＯＣＶＤ装置内に導入し、水素ガス雰囲気、基板温度１０８０℃において、サーマルクリーニングを行う。次に、トリエチルボロンとアンモニアを供給することにより、基板温度１０８０℃で六方晶窒化ホウ素薄膜（３０２）を成長させる。六方晶窒化ホウ素薄膜（３０２）の膜厚は３ｎｍとする。次に、成長温度を５３０℃まで下げて、六方晶窒化ホウ素薄膜（３０２）の上に、トリメチルアミン・アランとトリメチルアンチモンを供給することにより、Ａｌ_０．９１Ｉｎ_０．０９Ｓｂ薄膜（３０３）を１０ｎｍ成長させる。さらに、トリエチルガリウム、トリメチルインジウムとトリメチルアンチモンを供給することＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｓｂ薄膜（３０４）を１００ｎｍ成長する。

次に、バッファ層および当該バッファ層上のＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｓｂ薄膜を、サファイア基板から力学的に分離する。バッファ層を構成する窒化ホウ素薄膜はグラファイト型の結晶構造を有しており、層間はファンデアワールス力で結合されている。そのため、サファイア基板から容易に力学的に分離することができ、分離されたバッファ層および当該バッファ層上のＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｓｂ薄膜を、シリコン基板上に接合させて転写することができる。つまり、換言すれば、Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｓｂ薄膜がバッファ層とともにシリコン基板に転写される。このＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｓｂ薄膜のサファイア基板からの分離およびシリコン基板への転写について、図４を参照して説明する。まず、転写用基板の最表面のＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｓｂ層（４０４）上にＡｌ_２Ｏ_３絶縁膜（４０５）を接合層として堆積し、転写先のシリコン基板（４００）最表面にもＡｌ_２Ｏ_３絶縁膜（４０６）を接合層として堆積する（図４（a））。この時、Ａｌ_２Ｏ_３絶縁膜（４０５）と（４０６）の堆積はトリメチルアルミと水を原料として用いた原子層堆積装置（Atomic Layer Deposition : ＡＬＤ）を用いて、製膜温度を３００℃で２０ｎｍの厚さになるように堆積を行った。Ａｌ_２Ｏ_３絶縁膜堆積は、ＡＬＤの他、スパッタリング装置、Ｃａｔ−ＣＶＤ（Catalytic Chemical Vapor Deposition）、ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）等の装置を用いて堆積することができる。次に、Ａｌ_２Ｏ_３絶縁膜（４０５）と（４０６）を合わせて、空気中３５０℃の熱処理を行うことで、転写用基板をシリコン基板（４００）上に貼り合わせる（図４（b））。このようにして貼り合わせたシリコン基板と転写用基板は、サファイア基板（４０１）上の層間がファンデアワールス力で結合している六方晶窒化ホウ素（４０２）で接合していることになる。Ａｌ_２Ｏ_３絶縁膜（４０５）と（４０６）は原子結合で接合しており、その結合力は上記ファンデアワールス力と比較して非常に強い。このため、力学的な力を転写用基板に加えることで、容易に六方晶窒化ホウ素の層で分離することができる（図４（c））。本実施例で接合層としてＡｌ_２Ｏ_３絶縁膜を用いたが、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｇａ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３を用いても良い。また、接合層は転写用基板または転写先基板のいずれか一方に堆積するのみでも同様の貼り合わせが可能である。

ここまでの工程で、シリコン基板上に転写した層構造の最表面には分離で残った六方晶窒化ホウ素（４０２）およびＡｌ_０．９１Ｉｎ_０．０９Ｓｂ層（４０４）がある。次に、ドライエッチングを用いて六方晶窒化ホウ素（４０２）を除去する。六方晶窒化ホウ素の除去にドライエッチングを用いるのは六方晶窒化ホウ素が化学的に安定な材料であるため、簡便にウェットエッチングができるエッチャントが無いことによる。また、ドライエッチングによるダメージ層を後工程で除去するため、ドライエッチングはＡｌ_０．９１Ｉｎ_０．０９Ｓｂを残した状態で停止する（図４（d））。最後に、フッ酸系のエッチャントを用いてＡｌ_０．９１Ｉｎ_０．０９Ｓｂ層を選択的にウェットエッチング除去する（図４（e））。以上の工程により高品質のＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｓｂ薄層をシリコン基板上に転写することができる。

３０１、４０１ サファイア基板
３０２、４０２ ｈ−ＢＮ層
３０３ Ａｌ_０．９１１Ｉｎ_０．０９Ｓｂバッファ層
３０４、４０４ Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｓｂ薄膜
４００ シリコン基板
４０５、４０６ Ａｌ_２Ｏ_３絶縁膜

Claims (6)

1. シリコン基板上にＩｎＧａＳｂ薄膜を作製する方法において、
   サファイア基板の上にグラファイト型窒化ホウ素薄膜からなる第１のバッファ層を成長するステップと、
   前記第１のバッファ層の上にＡｌを含む化合物半導体からなる第２のバッファ層を成長するステップと、
   前記第２のバッファ層の上にＩｎＧａＳｂ薄膜を成長するステップと、
   前記第１のバッファ層の一部およびＩｎＧａＳｂ薄膜を前記第１のバッファ層から力学的に分離して、前記ＩｎＧａＳｂ薄膜をシリコン基板に転写するステップを含むことを特徴とする方法。
2. 前記第２のバッファ層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＳｂ（ｘ＞０）薄膜であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記グラファイト型窒化ホウ素薄膜は、六方晶窒化ホウ素薄膜または乱層窒化ホウ素薄膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の作製方法。
4. 前記グラファイト型窒化ホウ素薄膜は少なくとも二原子層以上の膜厚を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の作製方法。
5. 前記転写するステップの前に、前記ＩｎＧａＳｂ、前記シリコン基板のいずれか一方、あるいは両方に接合層を堆積するステップを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の作製方法。
6. 前記接合層が、絶縁膜であることを特徴とする請求項５に記載の作製方法。

Images